Czytaj

prof. dr hab. inż. STANISŁAW JAN KULAS
prof. dr hab. inż. HENRYK SUPRONOWICZ
Wojskowa Akademia Techniczna
Analiza procesu załączania prądu
łącznikami elektrycznymi zestykowymi
w układach kompensacji mocy biernej
Zjawiska fizyczne zachodzące w wielkoprądowych układach stykowych łączników
elektrycznych podczas załączania prądu w układach kompensacji mocy biernej, towarzyszące łukowi elektrycznemu, dynamice ruchu styków lub sczepianiu styków, są
o wiele groźniejsze w skutkach niż zjawiska występujące w układach stykowych
łączników zainstalowanych w innych układach elektroenergetycznych. Łączenie pojemności baterii kondensatorów wywołuje stany przejściowe w danym obwodzie,
prowadzące do znacznych, szybkozmiennych przetężeń prądowych oraz przepięć, zarówno przy załączaniu, jak i przy wyłączaniu baterii kondensatorów. Wyłączaniu
prądów pojemnościowych towarzyszą znaczne wartości chwilowe napięć międzystykowych łącznika, co może być przyczyną występowania pomiędzy stykami wyłącznika zapłonów ponownych późnych. Załączanie prądów pojemnościowych, ocena czasu trwania łuku elektrycznego podczas załączania oraz rola łączeń synchronizowanych w procesie załączania prądów w układach kompensacji mocy biernej są
przedmiotem artykułu.
1. WPROWADZENIE
Załączanie lub wyłączanie prądów w obwodach
elektroenergetycznych zarówno wysokiego, jak
i niskiego napięcia odbywa się na ogół przy użyciu
łączników elektrycznych mechanizmowych zestykowych. Podczas zamykania styków w dowolnym środowisku stanowiącym izolację międzystykową łącznika następuje przebicie warstwy izolacji i pojawia
się łuk elektryczny między zbliżającymi się stykami.
Załączanie prądu w obwodzie elektrycznym następuje zatem najczęściej nie w wyniku uzyskania styczności styków, a w wyniku przebicia izolacji danego
środowiska [1, 4, 6, 9]. Czas palenia się łuku elektrycznego jest zależny od wartości natężenia pola
elektrycznego w obszarze stykowym oraz od prędkości schodzenia się styków [7, 11]. Największy wpływ
na niezawodne działanie łączników mają wartości
załączanych prądów i ich stromości oraz towarzyszą-
ce procesowi łączenia obwodów elektroenergetycznych znaczne przepięcia. Szczególnie niekorzystne
znaczenie mają występujące wówczas w torach prądowych oddziaływania elektrodynamiczne, prowadzące do zmniejszenia docisku styków, a nawet ich
odskoków, oraz skutki cieplne, które są przyczyną
szybszego zużywania się układów stykowych, gaszeniowych łączników, jak również erozji i sczepiania
się styków. Proces erozji styków jest tym intensywniejszy, im wyższa jest temperatura łuku i czas jego
palenia [2, 8, 10, 11].
Załączenie prądu w obwodach o charakterze pojemnościowym wiąże się z występowaniem stanów
przejściowych w postaci przepięć i przetężeń
o znacznej stromości narastania prądu, które mogą
być groźne dla łącznika, łączonego odbiornika pojemnościowego i innych urządzeń w obwodzie. Przebieg zjawisk występujących przy wyłączaniu pojemności zależy przede wszystkim od szybkości narastania wytrzymałości elektrycznej na przebicie przerwy
Nr 12(514) GRUDZIEŃ 2013
39
poprawy współczynnika mocy, zwłaszcza w zakładach przemysłowych, oraz nieobciążonych linii napowietrznych i kablowych. Baterie najczęściej instaluje się jako trójfazowe, połączone w gwiazdę nieuziemioną z uwagi na prostotę zabezpieczeń od zwarć
wewnętrznych w baterii. Przyjmując jako założenie
jednoczesne załączanie trzech faz, wobec symetrii
układu, punkty gwiazdowe można połączyć bezoporowo i układ trójfazowy można sprowadzić do układu
jednofazowego [1, 3, 9, 10].
Analizując przebiegi przejściowe występujące przy
załączaniu skupionej pojemności baterii kondensatorów, należy rozpatrzyć przypadek załączania pojedynczych kondensatorów do sieci, w której nie ma
innych równolegle już dołączonych kondensatorów
(rys. 1), oraz przypadek znacznie groźniejszy z punktu widzenia występujących przetężeń prądowych
w obwodzie, polegający na przyłączaniu dodatkowych kondensatorów do obwodu z kondensatorami
znajdującymi się już pod napięciem.
Okazuje się, że charakterystyczne dla załączania
baterii kondensatorów są następujące graniczne momenty załączania:
 gdy chwilowa wartość napięcia sieci zasilającej
równa się maksimum,
 gdy chwilowa wartość napięcia sieci zasilającej
równa się zeru.
międzystykowej łącznika oraz od mocy wyłączanej
baterii, a także od parametrów układu sieci zasilającej [3, 5, 9]. Najbardziej skutecznym sposobem ograniczania przepięć przy wyłączaniu pojemności jest
niedopuszczanie do występowania późnych zapłonów ponownych. Obecnie do łączenia baterii kondensatorów stosowane są wyłączniki tzw. bezzapłonowe (próżniowe i SF6), w których podczas otwierania styków uzyskuje się dostatecznie szybkie przyrastanie wytrzymałości powrotnej przerw gaszeniowych, decydujące o skutecznym przerwaniu prądu
[12, 13].
Przedmiotem artykułu jest analiza stanów przejściowych występujących przy załączeniu baterii kondensatorów, ocena czasu łukowego podczas załączania oraz użyteczność łączeń synchronizowanych do
ograniczania negatywnych skutków procesów przejściowych podczas łączenia baterii kondensatorowych.
2. ZAŁĄCZENIE PRĄDÓW
POJEMNOŚCIOWYCH
Łączenie prądów pojemnościowych dotyczy przede
wszystkim baterii kondensatorów stosowanych do
a)
b)
Rys. 1. Załączanie baterii o pojemności C oraz o indukcyjności połączeń L1
w obwodzie zasilania o indukcyjności Lz (Lz > L1 ) oraz rezystancji Rz  0:
a) schemat zastępczy obwodu; b) przebiegi prądu załączeniowego iz oraz jego składowych [5]
Przyjmując założenie sinusoidalnego napięcia zasilającego e(t), pomijalnie małej rezystancji obwodu zasilającego Rz oraz nieuwzględniania indukcyjności L1 połączeń łącznika z baterią kondensatorów, gdyż jest ona
znacznie mniejsza od indukcyjności zasilania Lz , wartość prądu załączeniowego iz (t) obliczamy z zależności:

iz  I m (sin t  0 et sin 0t )

(1)
gdzie:
Im – wartość maksymalna prądu ustalonego iu;
I m  EmC ,
 – pulsacja źródła zasilania,
0 – pulsacja drgań własnych; 0 
1
.
Lz C
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
40
Amplituda prądu załączeniowego w najbardziej niekorzystnej chwili, a mianowicie gdy napięcie źródła
osiąga wartość maksymalną tj. e(t0 )  Em , wyznaczana jest z zależności:
iz max  I m (1 
0
Sk
)  I m (1 
)

Qk
(2)
gdzie:
Sk – moc zwarciowa obliczeniowa w miejscu dołączanej baterii kondensatorów,
Qk – moc baterii kondensatorów.
Przy załączaniu pojedynczych baterii niskiego lub
średniego napięcia amplituda prądu załączeniowego
może osiągnąć krotność (5-20) względem wartości
maksymalnej prądu ustalonego iu. Napięcie na kondensatorze może osiągnąć najwyżej podwójną maksymalną wartość napięcia sieci.
W przypadku załączania nienaładowanej trójfazowej baterii kondensatorów (rys. 2) można założyć, że
przebicie przerwy między schodzącymi się stykami
biegunów łącznika dwóch kolejnych faz następuje
w chwili, w której odpowiednie napięcie międzyprzewodowe pomiędzy nimi ma wartość największą.
I pm  I m (
0
Sk
)  Im

Qk
(4)
Największe chwilowe napięcie na zaciskach kondensatorów w chwili załączenia prądu w dwóch
pierwszych biegunach łącznika może osiągnąć wartość co najwyżej równą podwójnej amplitudzie napięcia znamionowego, natomiast po zamknięciu trzeciego bieguna napięcie osiągnie wartość co najwyżej
3 razy większą od amplitudy napięcia znamionowego.
Celem dopasowania pojemności baterii kondensatorów do danej mocy biernej indukcyjnej systemu
baterie kondensatorów są dzielone na sekcje (grupy).
Podczas przyłączania poszczególnych sekcji kondensatorów do sekcji znajdujących się pod napięciem
o wartości przetężenia prądowego w obwodzie decydują pojemności poszczególnych sekcji (grup) kondensatorów (rys. 3). Z uwagi na małe wartości indukcyjności w gałęziach (połączeniach) danej baterii
w chwili załączania wyłącznikiem baterii C2 bateria
C1 jest praktycznie zwierana [4, 9, 10]. Wówczas
przebieg przejściowy prądu jest tłumiony w znikomym stopniu.
Rys. 3. Schemat zastępczy układu do analizy dołączania pojemności C2 do układu grupy kondensatorów o pojemności C1 ; L1 , L2 , Lc – indukcyjności
połączeń [4]
Rys. 2. Schemat układu załączania prądu w trójfazowej baterii kondensatorów [4]
Największą wartość prądu przejściowego ip obliczamy z zależności:
I pm 
3

3
S
Im ( 0 ) 
Im k
2

2
Qk
(3)
Największa wartość prądu przejściowego podczas
zamykania styków bieguna łącznika trzeciej fazy ma
wartość większą w stosunku do poprzednich i wyznaczamy ją z zależności:
Jeśli w czasie załączania baterii C2 nastąpi przeskok
wstępny pomiędzy stykami a-a’ wyłącznika przy
maksymalnej wartości napięcia zasilania, to prąd
przejściowy będzie miał wtedy największą stromość
początkową oraz amplitudę. Jego wartość możemy
określić z zależności:
i2 (t )  uaa ' (0)
1
1
1
( L1  L2  Lc )(  )
C1 C2
sin 02t
(5)
gdzie:
02 
1
1
1
(  )
L1  L2  Lc C1 C2
(6)
Nr 12(514) GRUDZIEŃ 2013
41
Największa wartość amplitudy prądu i2 (t ) może
nawet niekiedy przekroczyć wartość prądu zwarciowego udarowego w danym miejscu sieci. Przy tym
stromości pojemnościowych prądów załączeniowych
są znacznie większe od stromości zwarciowych prądów załączeniowych. Ponadto należy podkreślić, że
z uwagi na wysoką częstotliwość składowej przejściowej prądu wskutek efektu naskórkowości rezystancja połączeń baterii jest w czasie przebiegu nieustalonego znacznie powiększona, co ma korzystny
wpływ na jej tłumienie. Jednak prądy o wysokiej
częstotliwości mogą się przenosić przez sprzężenia
elektromagnetyczne na obwody sterownicze i inne
obwody niskiego napięcia, oddziałując przy tym
szczególnie niekorzystnie na różne układy elektroniczne, w tym na komputery i mikroprocesory układów sterowania i automatyki [6, 9].
3. OCENA CZASU ŁUKOWEGO
PODCZAS ZAŁĄCZANIA
Załączenie prądu jest zatem możliwe przy dowolnym kącie fazowym napięcia, włącznie z kątem fazowym odpowiadającym chwili przejścia napięcia
przez wartość zerową, jeżeli spełniony jest warunek:
k
nEk vs
1
U m
(8)
Czas palenia się łuku elektrycznego taz przy założeniu, że nie występują drgania i odskoki styków przy
załączaniu (rys. 4), wynosi:
Zagadnienie minimalizacji czasu łukowego załączania ma związek z maksymalizacją wartości naprężenia krytycznego Ek = Eo, a więc i napięcia krytycznego zwanego początkowym Uo = Up, oraz minimalizacją czasu zamykania styków. Podczas załączania
obwodu prądu przemiennego sygnał na załączenie
łącznika elektrycznego na ogół nie jest skorelowany
z fazą napięcia, stąd przebicie między stykami może
następować przy różnej ich odległości i w różnych
chwilach, tj. przy różnych kątach fazowych napięcia
[6]. Czas łukowy załączania może być w związku
z tym przy każdym załączeniu prądu inny.
W założeniu, że napięcie przebicia jest proporcjonalne do odległości między stykami (rys. 4), oraz że
nie zależy od biegunowości styków, można wyznaczyć chwilę tp, w której następuje przebicie podczas
załączania prądu, przy napięciu u = Um sin ωt,
z zależności:
U m sin t  Ek nvs (ts  t p )
Rys. 4. Przykład określania chwili zapłonu łuku podczas załączania prądu przemiennego [6]
(7)
gdzie:
Ek – wartość natężenia pola elektrycznego, przy
którym następuje przebicie,
vs – wartość prędkości schodzenia się styków
(zmniejszania się odstępu międzystykowego)
w chwili zapłonu łuku elektrycznego w przerwie
stykowej,
n – liczba przerw w biegunie,
tp – chwila przebicia przerwy,
t – chwila zetknięcia się styków.
taz = ts - tp =
Um
sin  t p
Ek vs
(9)
Łuk elektryczny pali się między stykami najdłużej,
jeśli przebicie nastąpi w chwili przejścia napięcia
przez maksimum. Najkrótszy czas palenia się łuku
w rozpatrywanym przykładzie ma miejsce przy przebiciu przerwy międzystykowej w chwili t2 (rys. 4)
i wynosi:
taz min 
Um
sin  t2
Ek vs
(10)
Wybór określonej fazy załączenia prądu wymaga
zastosowania układu elektronicznego sterującego
procesem zamykania łącznika, np. załącznika zwarciowego lub wyłącznika synchronizowanego. Wprowadzenie do eksploatacji łączników próżniowych
i z sześciofluorkiem siarki (SF6), charakteryzujących
się małymi rozrzutami czasów działania, umożliwiło
wdrożenie łączeń synchronizowanych [9, 12, 14].
Synchronizowane łączenia zarówno obwodów
elektrycznych o charakterze pojemnościowym, jak
i indukcyjnym zyskują coraz większe zastosowanie
z uwagi na poprawę niezawodności pracy łączników
elektrycznych, a także z powodu skutecznego ograniczenia występowania przetężeń prądowych i przepięć łączeniowych w systemie elektroenergetycznym. Dotyczy to zwłaszcza łączenia baterii kondensatorów, linii długich nieobciążonych i dławików
42
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
oraz załączania transformatorów nieobciążonych
i wyłączania prądów zwarciowych. Łączniki przeznaczone do realizacji łączeń synchronizowanych
w układach trójfazowych powinny charakteryzować
się rozrzutem czasów zamykania/otwierania nieprzekraczającym wartości  1 ms. W związku z tym
powinny być wyposażone w niezależne mechanizmy napędowe, przemieszczające styki ruchome
w poszczególnych biegunach łącznika. Dzięki łączeniom sterowanym możliwe jest ograniczenie
narażeń elektrycznych, cieplnych i mechanicznych
elementów systemu elektroenergetycznego oraz
poprawa jakości energii, co daje jednocześnie
znaczne korzyści ekonomiczne.
10. Markiewicz H., Wołkowiński K.: Urządzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa 1980.
11. Miedziński B., Wiśniewski G., Kharin S.N., Nouri H.: Possibility
of Control of Transition of Switching Arc DC into Glowing, Proc.
of the Pakistan Akademy of Science, 2012, 49(30), pp.173-180.
12. Shoffa V.N., Miedziński B.: Sinchronnaja komutacja gerkonami
elektriczeskich cepiej pieremiennovo toka, Proc. 3rd Int. Conf. on
„REED Switches and Products”, Ryazan, Russia, 2011, pp. 48-60.
13. Strzelecki R., Supronowicz H.: Współczynnik mocy w systemach
zasilania prądu przemiennego i metody jego poprawy, OWPW,
Warszawa 2000.
14. Ware B., Reckleff J., Mauthe G., Schett G.: Synchronous Switching of Power Systems, CIGRE Session 1990, Report No. 13-205.
4. PODSUMOWANIE
Występujące podczas załączenia baterii kondensatorów znaczne przetężenia prądowe mogą prowadzić
do uszkodzenia poszczególnych kondensatorów baterii, a także mogą powodować sczepianie się styków
wyłącznika.
Prądy załączeniowe o wysokiej częstotliwości
w obwodach pojemnościowych przenoszą się przez
sprzężenia elektromagnetyczne na obwody sterownicze i na inne obwody niskiego napięcia.
Czas palenia się łuku elektrycznego złączeniowego
w przestrzeni międzystykowej jest zależny od wartości natężenia pola w obszarze stykowym oraz od
prędkości schodzenia się styków.
Stosowanie synchronizowanych załączeń i wyłączeń prądu umożliwia istotne ograniczenie przepięć
i przetężeń w układzie elektroenergetycznym.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Ciok Z.: Procesy łączeniowe w układach elektroenergetycznych,
WNT, Warszawa 1976.
Dzierzbicki S.: Aparaty elektroenergetyczne, WNT, Warszawa
1977.
Królikowski Cz.: Technika łączenia obwodów elektroenergetycznych, PWN, Warszawa-Poznań 1975.
Kulas S.: Warunki pracy wyłączników średniego napięcia
w układach kompensacji mocy biernej. „Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa”, 2009, nr 7 (461), s. 57-62.
Kulas S.: Capacitor Switching Techniques, International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ’09),
Valencia 2009, Conference Proceedings – CD.
Kulas S.: Tory prądowe i układy zestykowe, seria: Postępy Techniki Wysokich Napięć, t. 29, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 2008.
Kulas S., Kolimas Ł.: Analiza natężenia pola elektrycznego
w wielkoprądowych układach stykowych na przykładzie uziemnika
szybkiego, „Przegląd Elektrotechniczny”, 2008, nr 7, s. 178-181.
Kulas S.: Electrical arc in the process of the closing contacts,
Trudy Instituta Problem Materiałowiedienia NAN Ukrainy, seria:
Kompozicjonnyje, Słoistyje i Gradientnyje Materiały i Pokrytia
“Elektriczieskije Kontakty i Elektrody“, Kijew 2004, pp. 71-79.
Maksymiuk J.: Aparaty elektryczne, WNT, Warszawa 1997.
Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów.